光電儀器課程設(shè)計(jì)

1、西安工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文課題名稱:光電儀器課程設(shè)計(jì)姓名:學(xué)號(hào):專業(yè):學(xué)院：指導(dǎo)老師：時(shí)間：目錄第一章 引言 （- 1）1 1 國內(nèi)外測徑的主要方法（ - 1）1.1.1 掃描陰影法（-1）1.1.2 投影放大法（-2）1.1.3 衍射法 （-3）1.1.4 雙光路成像法（-4）1.1.5 國內(nèi)外光電測徑系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀（4）第二章細(xì)絲直徑測量儀方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)分析（- 5）2 1課題的方案設(shè)計(jì)（- 5）2 2細(xì)絲直徑測量儀的工作原理（- 6）第三章 光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（- 7）3 1 照度匹配 （- 7）3 2照明方法 （- 8）3 3 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則（- 9）3 4 光源的選擇及分析（- 11

2、）3 5 像系統(tǒng)分析（- 13）3 5 1 成像物鏡的設(shè)計(jì)（- 13）4 5.2 CC而頭的選擇-14）第四章 精度分析 （- 14）4 1 系統(tǒng)誤差分析（-14）4 1 1 本系統(tǒng)中包含的誤差（- 14）5 1 2 減小誤差的措施（-16）第五章總結(jié)（-17）6 1 投影法測量系統(tǒng)的特點(diǎn)（ - 17）5 2結(jié)束語 （-17）第六章 致謝和參考文獻(xiàn)（-19）第一章 引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要對(duì)細(xì)絲直徑進(jìn)行精密測量，傳統(tǒng)的測量方法國家標(biāo)準(zhǔn)是稱重法。20 世紀(jì) 70 年代又發(fā)展起來激光測徑法激光測徑法按測量原理分類有：掃描法、 衍射法、 前向散射法和差頻干涉相位法其中

3、衍射法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度、可觀察度和測量精度都較高，已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)實(shí)際這種測量方法和大學(xué)物理學(xué)中夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)的原理是相同的。應(yīng)用傳統(tǒng)的接觸測量，由于接觸力的作用，測量精度較低，而且無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量；應(yīng)用普通光學(xué)方法測量，測量時(shí)間較長，在測量難以實(shí)現(xiàn)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，要求對(duì)線材直徑進(jìn)行高精度、非接觸、快速的在線測量， 并給出反饋信號(hào)來控制生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。例如在鉬絲的生產(chǎn)過程中，鉬絲的直徑是必須及時(shí)檢測的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。由于加工速度快，因此必須快速地、精確地在線檢測鉬絲的直徑，并給出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。鑒于以上原因，對(duì)細(xì)絲直徑測量提出如下幾點(diǎn)要求：(1)高精

4、度；(2)高速度：(3)非接觸；(4)實(shí)時(shí)反饋控制。顯而易見，傳統(tǒng)的直徑測量方法已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。CCD圖像傳感器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、像素位置準(zhǔn)確、自掃描等特點(diǎn)，因此，許多采用光學(xué)方法測量線材外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。1 1 國內(nèi)外測徑的主要方法在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)現(xiàn)場對(duì)線材、棒料外徑需要在線實(shí)時(shí)檢測，并提出了愈來愈高的要求，在國內(nèi)外均有光電測徑儀問世，在這些測徑儀中，主要有以下幾種測量方法：掃描陰影法、投影放大法、衍射法、雙光路成像法等。它們的測量原理如下所述。1.1.1 掃描陰影法掃描陰影法測量原理如圖1 1 所示。由白熾燈發(fā)出的光束，經(jīng)反射鏡反射到掃

5、描鏡2 上， 掃描鏡由同步電機(jī)帶動(dòng)做勻速旋轉(zhuǎn)，于是反射光束以恒定的角速度掃過前透鏡3，前透鏡使光束成為平行掃描光束，并掃過待測的工件4，后透鏡5使平行光束會(huì)聚在光電管6上，經(jīng)光電管變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。透鏡 3、4之間 的平行光束隨著掃描鏡的旋轉(zhuǎn)而作平行移動(dòng)，當(dāng)它被待測工件4擋住時(shí)，光電管輸出暗電平信號(hào)，這個(gè)暗電平信號(hào)的寬度就反映了待測工件的直徑大小。處理器8根據(jù)掃描速度和暗電平信號(hào)的寬度計(jì)算出待測件的直徑大小，即完成了一次測量。掃描陰影法一般可測量直徑大于 O. 5mm的工件，測量精度可達(dá)到士 3pm, 對(duì)于直徑小于0. 5ram的工件，可用音叉作轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)裝置，音叉掃描可測量60Pm 一 5 00

6、Pm的直徑，測量精度可達(dá)± 5pm。掃描陰影法達(dá)到了很高的測量精度， 測量速度也較快，可達(dá)每秒1000次，但是這種方法需要高精度的轉(zhuǎn)鏡掃描系統(tǒng)， 需要高精度的微型電機(jī)，因此成本高，裝置復(fù)雜，不易于儀器的小型化。圖1.1掃描陰影法測量原理圖1.1.2 投影放大法投影放大法的測量原理如圖1.2所示。光源1發(fā)出的光經(jīng)透鏡2和3準(zhǔn)直、 擴(kuò)束后，擴(kuò)展成平行光照射到待測件上， 形成陰影，由透鏡5和光闌6成像在光 電接收器7上，測出陰影像的寬度D,就可算出工件的直徑。投影放大法的測量 精度主要取決于平行光的準(zhǔn)直程度、成像的放大倍率和光電接收器的分辨率。平 行光源要做的十分理想是有一定困難的，且隨準(zhǔn)

7、直程度的提高會(huì)使儀器的成本提 高，因此，在實(shí)際應(yīng)用中常常通過軟件處理的方法，對(duì)測量值進(jìn)行修正，以使測 量結(jié)果更接近實(shí)際值，這在一定程度上降低了對(duì)光源的苛刻要求。這種測量方法 比較適合測直徑中等粗細(xì)的工件，測量范圍在 0. 5mm30mm,測量精度可達(dá)±30m,避免了復(fù)雜的機(jī)械掃描裝置，具結(jié)構(gòu)比較簡單，成本也比較低圖1.2投影放大法光路原理圖1.1.3 衍射法根據(jù)巴比涅互補(bǔ)定理，激光束照射到細(xì)絲時(shí)，其衍射效應(yīng)和狹縫的衍射效 應(yīng)相同，在接收屏上得到同樣的明暗相間的衍射條紋，故通過測量衍射條紋之間的間距就可得到細(xì)絲的直徑。圖1.3衍射法測量原理圖測量時(shí)已知結(jié)構(gòu)尺寸L及激光波長，只要再測得條

8、紋間距 S,即可求得細(xì) 絲直徑do激光衍射測量是一種高精度的非接觸測量，其測量精度高達(dá)0.05um以下。另外，由夫朗和費(fèi)近似條件可知：光路中 L必須適當(dāng)?shù)拇螅@樣測量系統(tǒng) 比較龐大。止匕外，衍射法測量直徑對(duì)測量環(huán)境要求很嚴(yán)，尤其是對(duì)振動(dòng)干擾極其敏感，這也是衍射法測徑的一個(gè)不足之處。1.1.4 雙光路成像法對(duì)于材料的長度、寬度或直徑大于 30mm的尺寸測量，由于單光路成像系 統(tǒng)的視場和分辨率的限制，難以保證測量精度的要求，因此多采用雙光路成像法 測量。圖14給出了一個(gè)雙光路成像測量系統(tǒng)框圖。被測物體如鋼管置于雙光 路視場中，照明方式采用單光源擴(kuò)束分光照明或是采用雙光源分別照明。由于被遮擋部分無信

9、號(hào)輸出，分別檢測兩個(gè) CCD的邊緣信號(hào)，再對(duì)兩個(gè)邊緣之間的脈 沖計(jì)數(shù)，根據(jù)像元尺寸與光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)即可求得最終的被測物體的尺寸。 兩個(gè)CCD分別用來測量待測物的一個(gè)邊界值，兩個(gè) CCD之間的距離用機(jī)械方法 或是光學(xué)方法測量出預(yù)先存入計(jì)算機(jī)。工作過程中，兩個(gè)CCD采樣要求同步，最后送入計(jì)算機(jī)處理。如果測量范圍需要很大，可在CCD前加透鏡提高可測范圍，同時(shí)系統(tǒng)測量的尺寸需要標(biāo)定。圖1.4雙光路成像法原理圖1.2國內(nèi)外光電測徑系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀直徑是金屬絲類產(chǎn)品的一項(xiàng)重要參數(shù)，長期以來人們對(duì)直徑測量的方法進(jìn) 行了大量的研究，希望獲得一種方便、快捷、精確的測量技術(shù)。CCD應(yīng)用技術(shù)是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景

10、的新技術(shù)。三十多年來，CCD技術(shù)取得的驚人進(jìn)展足以說 明這一點(diǎn)。CCD已經(jīng)在三大領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：攝像、信號(hào)處理和存儲(chǔ)，它之所 以能在圖像測量領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用是因?yàn)樗哂芯雀摺⑥D(zhuǎn)換效率高、功耗低、尺寸小、壽命長、性能 穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。美國OGP公司研制的幾何尺寸測量系統(tǒng)，具有精密的 XYZ工作臺(tái)，采用變 焦鏡頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)調(diào)焦。由于該系統(tǒng)把標(biāo)準(zhǔn)件安放在了鏡頭里， 可隨時(shí) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，因此使用非常方便。該系統(tǒng)單軸測量精度為 2pro。為了保證 圖像視場能得到均勻的照明，該系統(tǒng)采用了環(huán)形燈照明。工作臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn) 行驅(qū)動(dòng)，保證了快速搜索待測要素。該系統(tǒng)的軟件采用可視化編程，具有良好的

11、 人機(jī)界面，同時(shí)配有各種各樣的電子測量準(zhǔn)星， 以適應(yīng)測量不同類型工件的測量1W-0目前國內(nèi)利用CCD!行工業(yè)實(shí)時(shí)在線檢測的系統(tǒng)有以線陣 CCD專感器為核 心在線檢測電線電纜直徑，被測對(duì)象直徑小于 10mm,精度小于0. 05mm。型號(hào)生產(chǎn)廠家測角范圍r洌量精度測斌速度測證速度GCT-2型激光測經(jīng)儀長春光 機(jī)所0, 5nwif-27MJi土 MknM551A（日）AnritsuSOWhIgid+ 0. 5PB1000次/秒音又掃描LM1A2型激 光光刻儀電子科技大學(xué)0. 05n*-30Ein<10am±2Po>10sH）±10Pn掃描法LSM3O1（日）Mitut

12、ayo0. 3mn30nD士 3MB350如秒日描法LSM602（日）MitutayoIw-SOan350次/秒掃描法VS-6101A（日）NationalIm-25111n10nn25nEn±5p（n投影法表1.1國內(nèi)外直徑測量裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)第二章細(xì)絲直徑測量儀方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)分析2. 1課題的方案設(shè)計(jì)應(yīng)用傳統(tǒng)的接觸測量來完成鋁絲線徑的測量，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。由于接 觸力的作用，要求的測量精度將無法保證；應(yīng)用普通光學(xué)測量，測量時(shí)間較長， 所以無法實(shí)現(xiàn)在線測量。然而本課題要求完成高精度的在線測量。 因此，傳統(tǒng)的 方法不能完成本課題的要求。CCD圖像傳感器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、像素

13、位置準(zhǔn)確、自掃描等特點(diǎn)，因此，許多采用光學(xué)方法測量外徑的儀器，把 CCD器 件作為光電接收器。鑒于 CCD的高精度和高靈敏度，本系統(tǒng)將采用 CCD作為信 息接收元件。第一章講到，現(xiàn)代光電測徑儀最常用的主要有三種方案：掃描投影法，衍 射法，投影放大法。掃描投影法有很高的測量精度，對(duì)線徑0. 5mm以上的測量對(duì)象精度可達(dá)士 3u m,測量速度也較快，可達(dá)每秒1000次，但是由于要有高 精度的機(jī)械掃描裝置，使用這種測量法的測徑儀裝置復(fù)雜，體積大，成本高，不 易于儀器的小型化；衍射法精度雖然特別高，對(duì)線徑 0. 5ram以上的測量對(duì)象 精度可達(dá)土 0. 05 11 m以下，但是它也有體積大的缺點(diǎn)，除此

14、之外，它還容易受 外界的干擾，尤其是對(duì)震動(dòng)非常敏感。投影放大法不需要復(fù)雜的掃描裝置， 可使 裝置簡單，體積小，成本降低。因此，本鋁絲線徑測量系統(tǒng)將采用投影放大法原 理。照明系統(tǒng)鋁絲防抖裝度成像系統(tǒng)CCD器件智 能 單 元上 應(yīng) 機(jī)信號(hào)處理電路圖2.1系統(tǒng)工作原理框圖該細(xì)絲直徑測量系統(tǒng)對(duì)精度要求較高，所以照明系統(tǒng)的光線必須均勻、穩(wěn) 定。因此，光源的電源要采用穩(wěn)壓電源，且光線要通過透鏡系統(tǒng)變成平行光。為 了減小被測件垂直擺動(dòng)所引起的誤差，我們得采用一定精度的固定裝置。被測物 細(xì)絲的投影經(jīng)過成像系統(tǒng)放大落到 CCD器件上，最后，CCD器件的輸出經(jīng)過一 系列的處理得到測量值。2 2細(xì)絲直徑測量儀的工作

15、原理測徑儀的裝置原理框圖如圖2, 1所示：照明系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供具有一定強(qiáng)度的平行光。細(xì)絲被平行光照射后經(jīng)成像物鏡成像在CCD上，由于被測對(duì)象是動(dòng)態(tài)的，所成的像可能因?yàn)槎秳?dòng)而使邊沿變模糊，給測量帶來不便，所以要加上一定的防抖機(jī)構(gòu)減小抖動(dòng)。光電耦合器件 (CCD在驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出的時(shí)序的配合下把光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。然后對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，用計(jì)脈沖數(shù)的方法對(duì)陰影的寬度進(jìn)行測量就可以得到脈沖數(shù)4 No最后，根據(jù)透鏡的放大倍率B就可得到待測體尺寸 d。細(xì)絲直徑的具體計(jì)算公式為：d=a*AN/p(2.1)式中：a為CCD光敏元尺寸；B為光學(xué)成像系統(tǒng)放大率； N為被測件經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后在CCD光敏區(qū)

16、所遮擋的光敏元數(shù)。第三章 光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在CCD應(yīng)用中，照明系統(tǒng)是一個(gè)重要的部分。在照明系統(tǒng)中要選擇合適光 源，并且與CCD接收面上所能接收到的照度相匹配。下面分別介紹照度匹配概 念、照明方法、照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和光源選取。3 1 照度匹配CCD器件是光積分型器件，輸出的電流信號(hào)和 CCD光敏面上的照度有關(guān)，也和光積分時(shí)間有關(guān)，若以，代表輸出電流，E 代表光敏面的照度，代表兩次取樣的時(shí)間間隔，在正常工作范圍內(nèi)有:I=KEt=KQ(2.2)式中：K 為比例常數(shù)；Q=Et稱為曝光量,單位為Ix. S,國際通用表達(dá)式為 Q=/Edt。但式(2. 2)中的E是一個(gè)恒定值，可以簡化為 Q=Et對(duì)于既定

17、元件，曝光量應(yīng)限定在一定范圍內(nèi)，其上限為飽和曝光量Qsato對(duì)于攝像和以光度測量為基礎(chǔ)的 CCD應(yīng)用系統(tǒng)，光敏面上任何光敏單元上的曝 光量Q均應(yīng)低于Qsat,否則將產(chǎn)生畫面亮度失真，或產(chǎn)生大量的測量誤差。因 為Q=Et,所以可通過適當(dāng)選擇CCD器件光敏面上照度E,和兩次采牛¥時(shí)間問隔f 來保證Q<Qsat但是，采樣間隔時(shí)間t 一般由驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)移脈沖周期 TSH確定， 常為一個(gè)確定值。所以，調(diào)節(jié)曝光量通常是調(diào)節(jié)CCD光敏面上的照度。要求光敏面上任何點(diǎn)的照度應(yīng)滿足：E*(2.3)光敏面的照度也不能太低。如果照度低于 CCD器件的靈敏閾，會(huì)降低畫面 亮度產(chǎn)生測量誤差。因此應(yīng)把光敏面上

18、的最大照度Emax調(diào)節(jié)為略低于券，以充分利用器件的動(dòng)態(tài)范圍。因此，在該測量系統(tǒng)中設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)要滿足照度的匹配。3. 2照明方法照明系統(tǒng)主要由光源和準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡組成，它的作用是使目標(biāo)物得到充分的照 明，以保證像平面有足夠的照度。照明方法一般有臨界照明和柯拉照明兩種。a .臨界照明光源經(jīng)過聚光鏡后，成像于物平面上的照明方法稱為臨界照明。其工作原理圖如圖2. 2所示。若忽略光能的損失，則光源像亮度與光源本身相同。這種照 度方法相當(dāng)于在物平面上放置光源。因此有結(jié)構(gòu)簡單、光能利用率高的優(yōu)點(diǎn)。其 缺點(diǎn)是：如果光源表面亮度不均勻，或明顯地表現(xiàn)出細(xì)小的結(jié)構(gòu)。如燈絲等，這 樣就會(huì)使物體表面照度不均勻，從而使接收器

19、上的光能量分布不均勻，而影響成像質(zhì)量和測量精度。4圖22臨界照明光學(xué)原理b.柯拉照明為了克服臨界照明中物平面照明不均勻的缺點(diǎn)， 而采用柯拉照明的方式?？?拉照明是將光源成像在物鏡的入射光瞳處。如圖 2. 3所示：柯拉照明必須滿足 以下成像關(guān)系， 光源1經(jīng)輔助聚光鏡2成像在光闌4處。輔助聚光鏡2經(jīng)聚光 鏡5成像于物平面6上。聚光鏡5把焦點(diǎn)處的光闌4成像于無限遠(yuǎn)處，與成像物 鏡的入瞳重合。設(shè)物鏡的入瞳位于無限遠(yuǎn)處?？吕彰魇前驯还庠淳鶆蛘彰髁说?輔助聚光鏡2（也稱為小拉鏡）成像在物平面上。因此，柯拉照明的優(yōu)點(diǎn)是可以使 物體得到均勻地照明。但是，這種照明系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光能損失大的缺點(diǎn)。在 光學(xué)系統(tǒng)

20、中，一般對(duì)成像質(zhì)量和測量精度要求較高的系統(tǒng)均采用柯拉照明方式。圖2一3柯拉照明光學(xué)原理4. 3.照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為了使接收器或像面獲得足夠的照度，并且使照度分布均勻。設(shè)計(jì)照明系統(tǒng) 時(shí)應(yīng)考慮以下問題：即照明系統(tǒng)提供的光能量問題，光能量的利用率問題和能量 在像平面上的分布問題。照明系統(tǒng)提供的光能量與光源的發(fā)光強(qiáng)度、光源的尺寸 和聚光鏡的孔徑角有關(guān)。當(dāng)光源的發(fā)光強(qiáng)度一定時(shí)，光源的面積較大，聚光鏡的 孔徑角越大，照明系統(tǒng)所提供的光能量越多，即照明系統(tǒng)提供光能量的大小是由它的拉赫不變量決定的，即:(2. 4)J1=N1U1Y1式中：N1為物方介質(zhì)折射率；Y1為燈絲半高；U1為聚光鏡的孔徑角。照明系統(tǒng)提

21、供光能量能否全部進(jìn)入成像系統(tǒng)， 取決于兩者之間的銜接關(guān)系。 為了使照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)很好地銜接起來。在光學(xué)計(jì)算時(shí)，應(yīng)使照明系統(tǒng)的拉 赫不變量J1=N1U1Y1大于或等于成像系統(tǒng)的拉赫不變量即：J1=N1U1Y>J2=N2U2Y2(2. 5)式中：Y2為物體半高；U2為成像系統(tǒng)的孔徑角；N2為成像系統(tǒng)物方介質(zhì)折射率。圖2-4簡要地說明了成像關(guān)系。所有進(jìn)入聚光系統(tǒng)的光線全部包括在光管 內(nèi)而進(jìn)入成像系統(tǒng)，從而光能量得到了充分的利用。圖2-4照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)的銜接關(guān)系為了使像面照度分布均勻，必須恰當(dāng)?shù)匕才懦上裎镧R、聚光鏡和物體的相 互位置，以保證像面上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成像光束在成像物鏡出瞳處的光束截

22、面相同c 因而在準(zhǔn)直和投影系統(tǒng)中，要使物體靠近聚光鏡或靠近光源的像平面，才能使像 平面得到均勻的照度分布。由于物體上各點(diǎn)以同樣大小的光束經(jīng)物鏡成像， 因此, 像面上將有均勻的照度分布。3. 4光源的選擇及分析光源是CCD應(yīng)用技術(shù)中的重要部分，選擇好光源是 CCD應(yīng)用的保障。CCD應(yīng)用系統(tǒng)大致可分為攝像和檢測兩種類型。不同類型對(duì)照明光源有不 同的要求，應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的光源。作為檢測系統(tǒng)一般有兩種：一種是通過 測量被檢測物體的像來檢測被測物體的某些特征參數(shù)；另一種是通過測量被檢測 物體的空間頻譜分布來確定被檢測物體的某些特征參數(shù)。對(duì)于前者，只要選發(fā)光光譜寬、照度足夠的光源作為照明光源就可以了；

23、 而對(duì)于后者，應(yīng)該選用滿足單 色性好、相干性好、光束準(zhǔn)直精度高等要求的光源。CCD器件的光譜響應(yīng)范圍為0. 5Pm1. 1lJm,峰值響應(yīng)波長多為0. 55 IJm,氫凝氣體激光器的激光波長為 0. 63281am,光譜響應(yīng)靈敏度很接近于其峰值響應(yīng)波長的光敏靈敏度，但由于 激光器成本高，體積比較大，特殊情況下才給予考慮。本文的研究屬于通過檢測被測物體的像來檢測物體寬度的實(shí)際應(yīng)用，故可 以選用白熾燈、鹵鴇燈或者大功率 LED作為成像系統(tǒng)的光源。表2. 1是各種光 源的參數(shù)。光源腫類光效tlm/W)顯色指數(shù)（FU）色溫（k）平均壽命Ch）普通白熾燈151002頰1000直鴇燈25100300。20

24、005000普通熒光燈7070全系列I0OOO二期色熒光燈938Mg全系列12000紫潺型熒光燈60*5全系列S000高壓錄燈5045330043006000金屬囪化物燈75-9565-923000/4500/56006000-20000高虛鈉燈10012023/60/851950/2200/250024000IW-3WLED38 （白光）-120紅光85全系列20000-100000表2-1各種光源的參數(shù)LED光源的特點(diǎn)：體積小：LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里 面，所以它非常小，非常輕。耗電量低：LED耗電非常低，一般來說LED的工作電壓是2V3. 6V。工作電流是幾百毫安。

25、 使用壽命長：在恰當(dāng)?shù)碾娏飨拢琇ED的使用壽命達(dá)10萬小時(shí)。 亮度高（光效可達(dá)60L刪W）、發(fā)熱量低； 堅(jiān)固耐用：LED被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面，燈體內(nèi)沒有 松動(dòng)的部分，它比燈泡和熒光燈燈管都堅(jiān)固。圖2-5大功率LED驅(qū)動(dòng)原理圖本系統(tǒng)選用的光源為3W的大功率LED,型號(hào)為PG1N-3LWE它的驅(qū)動(dòng)電 流為500mA750mA。大功率LED一般采用恒流驅(qū)動(dòng)。我們利用 LM317設(shè)計(jì)的 恒流驅(qū)動(dòng)器電路原理圖如圖2. 5所示：驅(qū)動(dòng)電流可通過電阻Rx調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍 為：5. 6 mA -625mA, R1為2。的大功率電阻，當(dāng) Rx調(diào)節(jié)為零時(shí)，起到限流 作用。經(jīng)檢驗(yàn)，本電流源的穩(wěn)定度在 5%以內(nèi)。選

26、用大功率LED最大的優(yōu)點(diǎn)是在保證光效的同時(shí)，大大地節(jié)省了儀器的體 積。另外LED的長壽命也是一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，從而避免了定期拆開儀器更換燈泡的 麻煩。3. 5成像系統(tǒng)分析3. 5. 1成像物鏡的設(shè)計(jì)成像物鏡的任務(wù)是：將被測細(xì)絲按固定的放大倍率成像在CCD所在的平面上。光學(xué)原理如圖2-6所示：圖2-6成像系統(tǒng)光路原理成像物鏡初始結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：a.成像系統(tǒng)的放大倍率夕的確定已知系統(tǒng)參數(shù)：d=0. 5 mill4mm （被測鑰絲直徑）S=35mm（CCD®敏單元總長度）假設(shè)被測細(xì)絲在被測過程中的擺動(dòng)范圍限制在± 3mm內(nèi)，為了保證被測細(xì) 絲成像在CCD光敏單元內(nèi)，則3. 5。這里取B

27、=3。b.成像鏡頭焦距F的確定：1/f=1/L+I/ L'L+L' =180mm（L - f）?f= B根據(jù)已知條件聯(lián)立以上三式計(jì)算出：L=60mmL =120mmf=40 mm3 5. 2 CC而頭的選擇CCDgt頭的作用是把被觀察目標(biāo)的光像呈現(xiàn)在 CCD的靶面上，也稱光學(xué)成像。 將各種不同形狀、不同介質(zhì)（塑料、玻璃或晶體）的光學(xué)零件（反射鏡、透射鏡、棱鏡）按一定方式組合起來，使得光線經(jīng)過這些光學(xué)零件的透射或反射以后，按照人們的需要改變光線的傳輸方向而被接收器件接收，即完成了物體的光學(xué)成像過程。光學(xué)鏡頭應(yīng)滿足成像清晰、透光率高、像面照度分布均勻、圖像畸變小、光圈可調(diào)等要求。一

28、般來說每個(gè)鏡頭都由多組不同曲面曲率的透鏡按不同間距組合而成。間距和鏡片曲率、透光系數(shù)等指標(biāo)的選擇決定了該鏡頭的焦距。CCDH頭按其功能和操作方法分為常用鏡頭和特殊鏡頭兩大類，常用鏡頭又分為定焦鏡頭 （自動(dòng)和手動(dòng)光圈）和變焦鏡頭（自動(dòng)和手動(dòng)光圈）。本系統(tǒng)選用了型號(hào)為VS-M1024 的工業(yè)顯微鏡鏡頭。它的工作距離為100mm,- 240mm,鏡頭長77mm,高清晰，光學(xué)無畸變，用于精確測量、定位等機(jī)器視覺系統(tǒng)中。第四章 精度分析4 1 系統(tǒng)誤差分析在本測量系統(tǒng)中，精度是制作的主要難點(diǎn)之一。因此，準(zhǔn)確的誤差分析是本系統(tǒng)成功研制的一個(gè)前提。誤差的主要來源有光束不平行引起的準(zhǔn)直誤差，CCD的非均勻性誤

29、差，透鏡像差以及電路誤差等，本節(jié)對(duì)一些主要的誤差因素作 一些分析。5 1 1 本系統(tǒng)中包含的誤差a.光功率不穩(wěn)定引起的誤差光功率不穩(wěn)定引起的誤差是由電源輸出的電流的變化引起的。本系統(tǒng)中采用了大功率LED為光源，它要求有一定的驅(qū)動(dòng)電路輔助工作。 這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)質(zhì) 是有恒流輸出的電路，因此，本課題中專門為它設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度的恒流電源，它可以為光源提供高穩(wěn)定的恒流電源，所以在本系統(tǒng)中電源不穩(wěn)定所引起的測量誤差可以忽略不計(jì)。b. CCD感光單元靈敏度不均勻性誤差以CCD作為光電接收器件，其CCD感光單元靈敏度均勻性是一個(gè)重要的指標(biāo)。 CCD 感光單元靈敏度誤差是由于制造過程中半導(dǎo)體材料雜質(zhì)不均勻所造

30、成的， 同時(shí)各個(gè)感光單元有效面積的不一致也是影響靈敏度不均勻誤差的一個(gè)重要因素。c.成像透鏡像差引起的誤差在系統(tǒng)進(jìn)行測量時(shí)，被測物與像被認(rèn)為在一對(duì)共軛的物像平面上。一般認(rèn)為，被測物與像位置一定，放大倍率也就一定，這一理論是在近軸區(qū)的近似公式。實(shí)際上， 在像平面上放大倍率是隨著距軸的距離而變化的。視場較大時(shí)，像的放大倍率就要隨視場而異，即產(chǎn)生畸變。實(shí)驗(yàn)測試時(shí)成像物鏡具有畸變，畸變的存在將直接影響系統(tǒng)的測量精度。在本直徑測量系統(tǒng)中，成像透鏡的像差引起的誤差小于10um。此項(xiàng)誤差屬于系統(tǒng)誤差，可以通過軟件進(jìn)行校正。d.光源不平行的準(zhǔn)直誤差當(dāng)光源準(zhǔn)直為良好的平行光時(shí)，被測物沿軸向擺動(dòng)對(duì)測量結(jié)果沒有多大

31、影響。由于光源很難做到高度的平行，存在著一定的發(fā)散角。而當(dāng)光源有一定的發(fā)散角或會(huì)聚角時(shí)，CCD上接收到的陰影寬度就會(huì)發(fā)生變化，從而引起測量誤差。這種誤差很小，一般小于0 49um。 為了減小誤差，在成像物鏡的后焦面上放置一個(gè)孔徑光闌，以形成物方遠(yuǎn)心光路，從而可以提高測量精度。適當(dāng)設(shè)置光闌大小，這種誤差可以降到很小。e.光軸傾斜誤差為了保證測量的準(zhǔn)確性，要保證光軸與CCD 線陣方向垂直，否則會(huì)引入一個(gè)傾斜誤差。若光軸與CCD線陣方向夾角為，設(shè)=89° ,測量直徑小于5mm, 則引入傾斜誤差f.環(huán)境因素造成的誤差雜散光、 空氣擾動(dòng)、灰塵、 電磁干擾等環(huán)境條件對(duì)測量結(jié)果的影響是比較復(fù)雜的。

32、 環(huán)境因素影響可能表現(xiàn)為小的隨機(jī)誤差，也可能表現(xiàn)為粗大誤差，這些因素難以預(yù)料，我們只有采取措施加以抑制。在測徑系統(tǒng)實(shí)施的時(shí)候可以采用一些方法減小環(huán)境的影響，如采用孔徑光闌和密封的方式可以消除雜散光和空氣擾動(dòng)的影響。CCD作為一種半導(dǎo)體器件，溫度的變化將改變CCD的輸出電壓的浮動(dòng)。而本系統(tǒng)所用的TCD 1502cg溫度變化的影響很小，幾乎不變。所以由溫 度引入的誤差可以忽略。4 1 2 減小誤差的措施下面分析測量系統(tǒng)中影響測量精度的因素及為減少這些誤差所采用的方法：a.沿光軸方向的振動(dòng)當(dāng)待測物沿光軸方向振動(dòng)時(shí)會(huì)使被測件輪廓在CCD上成像的清晰度發(fā)生變化，導(dǎo)致CCD輸出信號(hào)波形在輪廓邊緣處有一暫緩

33、的過渡區(qū)，這種清晰度隨著 輪廓界線在視場中的不同位置也有所不同，因此視場中央成像質(zhì)量總是優(yōu)于邊緣視場，這種情況在放大測量中尤甚，在本課題研究的CCD小尺寸測量系統(tǒng)中明暗區(qū)域界線就存在CCD輸出信號(hào)的過渡問題。當(dāng)測量具有光吸收特性的介質(zhì)時(shí)， 由于吸收系數(shù)的影響，CCD輸出信號(hào)的變形就會(huì)很大，這種漸緩的過渡區(qū)在確定 被測件的輪廓位置或明暗區(qū)界線的位置時(shí)，便產(chǎn)生較大的誤差，在硬件電路設(shè)計(jì)中采用二值化處理的方法，并采用動(dòng)態(tài)閾值法，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。b.光路影響實(shí)際使用CCD時(shí)，發(fā)現(xiàn)CCD的輸出信號(hào)幅值隨視場上沿 CCD陣列方向的長 度變化而變化，另一方面自然光不是嚴(yán)格意義上的平行光，本身光能不均

34、勻，而引起CCD器件接收到的信號(hào)產(chǎn)生變化，實(shí)測結(jié)果還表明這種變化還是相當(dāng)大的， 為提高光源質(zhì)量，盡可能使用平行光照明方式，就可大大減少光源和擺動(dòng)的影響，另外當(dāng)采用固定閾值進(jìn)行二值化時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，結(jié)合前面的分析對(duì)CCD#收信號(hào)進(jìn)行二值化處理，其閾值根據(jù)使用環(huán)境和條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。第五章總結(jié)5 總結(jié)與展望5 1 投影法測量系統(tǒng)的特點(diǎn)本文采用了 CCD作為光電轉(zhuǎn)換傳感器來實(shí)現(xiàn)被測物體尺寸的光電非接觸測 量，它是被測物體直徑尺寸測量的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。采用CCD進(jìn)行測量有其獨(dú)有的特點(diǎn)， 首先它本身是光電傳感器件，它的光電特性主要取決于材料的物理性質(zhì)，因而具有較高的可靠性，其次它本身又能自掃描，非常適

35、合于動(dòng)態(tài)快速測量。它的輸出信號(hào)是數(shù)字式的，通過視頻處理電路板可以直接與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，組成智能式的測量系統(tǒng)或質(zhì)量檢測系統(tǒng)，因而它有著廣泛的應(yīng)用前景。該測量系統(tǒng)測量速度快，測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，是一種非接觸式的測量系統(tǒng)，屬于無損傷測量，不影響系統(tǒng)的正常進(jìn)行，非常適用于自動(dòng)化生產(chǎn)線上的細(xì)絲尺寸測量。與同類測量系統(tǒng)比較，該測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。 由于可與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，可進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的集中采集和分析，以便進(jìn)行質(zhì)量分析和統(tǒng)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)控制和生產(chǎn)過程自動(dòng)化。整個(gè)鉬絲線徑測量儀系統(tǒng)的開發(fā)包括了以下幾個(gè)部分：照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、CCD的驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)處理電路、二值化處理電路、 LED驅(qū)動(dòng)電路。經(jīng)過學(xué)習(xí)與 研究， 鉬絲線徑測量儀系統(tǒng)已經(jīng)基本完成。通過一系列的實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)處理可知：本系統(tǒng)測量的極限誤差為±23 25u m； 由于一個(gè)光積分周期的時(shí)間為5 16ms，該系統(tǒng)每秒鐘測量的次數(shù)最大可以達(dá)到193 次秒。 以上數(shù)據(jù)證實(shí)了本鉬絲線徑測量系統(tǒng)的軟件、硬件、 光學(xué)系統(tǒng)基本符合要求，并且達(dá)到了金堆城鉬業(yè)有限公司所提的指標(biāo)要求。6 2 結(jié)束語CCD專感器的體積小、重量輕，全固體化，集成度高，工作電壓和功耗都很低， 可靠性高，壽命長， 穩(wěn)定性好，像元尺寸的幾何